Biomimetic norfloxacin sensors made of molecularly-imprinted materials for potentiometric transduction

A biomimetic sensor for norfloxacin is presented that is based on host-guest interactions and potentiometric transduction. The artificial host was imprinted into polymers made from methacrylic acid and/or 2-vinyl pyridine. The resulting particles were entrapped in a plasticized poly(vinyl chloride) (PVC) matrix. The sensors exhibit near-Nernstian response in steady state evaluations, and detection limits range from 0.40 to 1.0 μgmL−1, respectively, and are independent of pH values at between 2 and 6, and 8 and 11, respectively. Good selectivity was observed over several potential interferents. In flowing media, the sensors exhibit fast response, a sensitivity of 68.2 mV per decade, a linear range from 79 μM to 2.5 mM, a detection limit of 20 μgmL−1, and a stable baseline. The sensors were successfully applied to field monitoring of norfloxacin in fish samples, biological samples, and pharmaceutical products

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

Biomimetic norfloxacin sensors made of molecularly-imprinted materials for potentiometric transduction

A biomimetic sensor for norfloxacin is presented that is based on host-guest interactions and potentiometric transduction. The artificial host was imprinted into polymers made from methacrylic acid and/or 2-vinyl pyridine. The resulting particles were entrapped in a plasticized poly(vinyl chloride) (PVC) matrix. The sensors exhibit near-Nernstian response in steady state evaluations, and detection limits range from 0.40 to 1.0 μg mL−1, respectively, and are independent of pH values at between 2 and 6, and 8 and 11, respectively. Good selectivity was observed over several potential interferents. In flowing media, the sensors exhibit fast response, a sensitivity of 68.2 mV per decade, a linear range from 79 μM to 2.5 mM, a detection limit of 20 μg mL−1, and a stable baseline. The sensors were successfully applied to field monitoring of norfloxacin in fish samples, biological samples, and pharmaceutical products.

Molecularly imprinted sensor for voltammetric detection of norfloxacin

In this work, a norfloxacin selective modified glassy carbon electrode (GCE) based on a molecularly imprinted polymer (MIP) as electrochemical sensor was developed. A suspension of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) was deposited on the electrode surface. Subsequently, a molecularly imprinted film was prepared by electropolymerization, via cyclic voltammetry of pyrrole (PPy) in the presence of norfloxacin (NFX) as the template molecule. A control electrode (NIP) was also prepared. Scanning electron microscopy (SEM) and cyclic voltammetry in a ferrocyanide solution were performed for morphological and electrochemical characterisation, respectively. Several experimental parameters were studied and optimised. For quantification purposes the MIP/MWCNT/GCE was immersed in NFX solutions for 10 min, and the detection was performed in voltammetric cell by square wave voltammetry. The proposed sensor presented a linear behaviour, between peak current intensity and logarithmic concentration of NFX between 1 × 10−7 and 8 × 10−6 M. The obtained results presented good precision, with a repeatability of 4.3% and reproducibility of 9% and the detection limit was 4.6 × 10−8 M (S/N = 3). The developed sensor displayed good selectivity and operational lifetime, is simple to fabricate and easy to operate and was successfully applied to the analysis of NFX in urine samples.

Desenvolvimento de um sensor óptico para determinação de Norfloxacina

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para determinação de Norfloxacina em amostras do sector da aquacultura. Estes sensores basearam-se na reacção colorimétrica entre um metal imobilizado em PVC e a Norfloxacina. O metal foi escolhido com base em ensaios prévios de reacção colorimétrica entre a Norfloxacina e várias espécies metálicas, nomeadamente, Fe(III), Al(III), Pb(II), Aluminon, Mo(II), Mn(II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e V(V). A reacção mais intensa foi obtida com o Fe(III). Neste sentido, numa primeira fase foram desenvolvidos sensores baseados em Fe(III). O efeito de alguns parâmetros experimentais na resposta desses sensores foi avaliado de modo univariado. Incluem-se aqui o efeito do pH, avaliado entre 2,00 e 6,00, e o da concentração de Fe(III), variada entre cerca de 1,00x10-5 M e 2,00x10-4 M. Os melhores valores foram obtidos a pH 3, para o qual se verificou um comportamento linear entre cerca de 1,00x10-5 M e 1,70x10-4 M de Fe(III). Utilizando as condições seleccionadas anteriormente, procedeu-se à caracterização do complexo sob ponto de vista químico. Os valores obtidos apontaram para a necessidade de um excesso de Fe(III) de, pelo menos, 10 vezes, no sentido de garantir a máxima extensão de complexação. O complexo referido apresentou, nestas condições, um comportamento linear ao longo do intervalo de concentrações de cerca de 7,00x10-5 M a 7,00x10-4 M em NOR. O complexo formado foi estável ao longo de 90 minutos. As condições óptimas para análise desse complexo numa superfície sólida foram obtidas após avaliação do efeito da quantidade de Fe(III) e do tipo e quantidade de solvente mediador (o-nitrofenil octil éter, di-n-octilftalato, dibutilftalato, bis(etilhexil)sebacato, bis(etilhexil)ftalato). O bis(etilhexil)sebacato foi o solvente mediador escolhido e a relação de quantidade entre o PVC e o solvente mediador foi igual a 1:2. O procedimento de preparação do sensor sólido e subsequente optimização foi aplicado a outras espécies metálicas, para além do Fe(III), tais como, Cu(II), Mn(II) e aluminon. A conjugação de todos estes metais permitiu desenvolver um array de sensores para despistagem de Norfloxacina em águas de aquacultura. Algumas membranas sensoras foram aplicadas com sucesso no controlo de Norfloxacina em amostras de águas ambientais dopadas. Os resultados obtidos com membranas de Fe(III) e Cu(II) foram exactos, tendo-se registado valores de concentração próximos dos reais. O método proposto permitiu, por isso, a despistagem rápida e eficaz da presença de um antibiótico em águas ambientais, permitindo ainda o seu doseamento a um baixo custo. Numa perspectiva de rotina, e tendo em vista a despistagem deste antibiótico, este método revelou-se mais rápido e mais barato do que os demais métodos descritos na literatura para este efeito.

Molecularly-imprinted materials for potentiometric transduction: application to the antibiotic enrofloxacin

Enrofloxacin (ENR) is an antimicrobial used both in humans and in food producing species. Its control is required in farmed species and their surroundings in order to reduce the prevalence of antibiotic resistant bacteria. Thus, a new biomimetic sensor enrofloxacin is presented. An artificial host was imprinted in specific polymers. These were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. The potentiometric sensors exhibited a near-Nernstian response. Slopes expressing mVΔlog([ENR]/M) varied within 48–63. The detection limits ranged from 0.28 to 1.01 µg mL 1. Sensors were independent from the pH of test solutions within 4–7. Good selectivity was observed toward potassium, calcium, barium, magnesium, glycine, ascorbic acid, creatinine, norfloxacin, ciprofloxacin, and tetracycline. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ±0.7%), fast response, good sensitivity (47 mV/Dlog([ENR]/ M), wide linear range (1.0×10-5–1.0×10-3 M), low detection limit (0.9 µg mL-1), and a stable baseline for a 5×10-2 M acetate buffer (pH 4.7) carrier. The sensors were used to analyze fish samples. The method offered the advantages of simplicity, accuracy, and automation feasibility. The sensing membrane may contribute to the development of small devices allowing in vivo measurements of enrofloxacin or parent-drugs.

Deteção eletroquímica da norfloxacina e trimetoprim em amostras de urina utilizando polímero molecularmente impresso modificado e grafeno

A norfloxacina e o trimetoprim são dois antibióticos antibacterianos usados para o tratamento de infeções urinárias, intestinais e respiratórias. A maioria dos fármacos exige uma dosagem que garanta os níveis de segurança e eficácia de atuação. A necessidade de dosear os medicamentos e os seus metabolitos é assim um controlo imperioso e em muitos casos regular no tratamento de um paciente. Neste trabalho desenvolveram-se dois sensores eletroquímicos para a deteção da norfloxacina (NFX) e do trimetoprim (TMP), usando como superfície de suporte o carbono vítreo. A busca de novos materiais que conferiram maior seletividade e sensibilidade aos sistemas de deteção e por outro lado apresentem menores riscos para o paciente quando usados em dispositivos que permitam uma análise point-of-care, é especialmente importante e pode ser uma parte crucial do processo de decisão clínica. Assim, os polímeros molecularmente impresos enquadram-se nesse perfil e o seu uso tem vindo a ser cada vez mais avaliado. A impressão molecular é uma tecnologia capaz de produzir polímeros que incorporam as moléculas do analito e que após remoção por solventes específicos, permitem dotá-los de locais específicos de reconhecimento estereoquímico. A seleção do pirrol como polímero molecularmente impresso (MIP) permitiu construir com sucesso os sensores para doseamento dos antibióticos. A fim de aumentar a sensibilidade do método incorporou-se grafeno na superfície do elétrodo. Este material tem vindo a ser largamente utilizado devido às suas propriedades: estrutura molecular, condutividade elétrica e aumento da superfície são algumas das características que mais despertam o interesse para a sua aplicação neste projeto. Os sensores desenvolvidos foram incorporados em sistemas eletroquímicos. Os métodos voltamétricos aplicados foram a voltametria cíclica, a voltametria de onda quadrada e ainda a impedância. As condições de análise foram otimizadas no que respeita à polimerização do pirrol (concentração do polímero, número de ciclos de eletropolimerização e respetivos potenciais aplicados, tempo de incubação, solvente de remoção do analito), ao pH da solução do fármaco, à gama de concentrações dos antibióticos e aos parâmetros voltamétricos dos métodos de análise. Para cada um dos antibióticos um elétrodo não-impresso foi também preparado, usando o procedimento de polimerização mas sem a presença da molécula do analito, e foi usado como controlo. O sensor desenvolvido para o trimetoprim foi usado no doseamento do fármaco em amostras de urina. As amostras foram analisadas sem qualquer diluição, apenas foram centrifugadas para remoção de proteínas e algum interferente. Os sensores construídos apresentaram comportamento linear na gama de concentrações entre 102 e 107 mol/L. Os resultados mostram boa precisão (desvios padrão inferiores a 11%) e os limites de deteção foram de 8,317 e 1,307 mol/L para a norfloxacina e o trimetoprim, respetivamente. Para validação do método foram ainda efetuados ensaios de recuperação tendo obtido valores superiores a 94%.

Sensor electroquímico seletivo para a Norfloxacina

A Norfloxacina (NFX) é um antibiótico antibacteriano indicado para combater bactérias Gram-negativas e amplamente utilizado para o tratamento de infeções no trato respiratório e urinário. Com a necessidade de realizar estudos clínicos e farmacológicos esenvolveram-se métodos de análise rápida e sensitiva para a determinação da Norfloxacina. Neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor eletroquímico sensível e seletivo para a deteção da NFX. O sensor foi construído a partir de modificações efetuadas num elétrodo de carbono vítreo. Inicialmente o elétrodo foi modificado com a deposição de uma suspensão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) de modo a aumentar a sensibilidade de resposta analítica. De seguida um filme polímerico molecularmente impresso (MIP) foi preparado por eletrodeposição, a partir de uma solução contendo pirrol (monómero funcional) e NFX (template). Um elétrodo de controlo não impresso foi também preparado (NIP). Estudouse e caraterizou-se a resposta eletroquímica do sensor para a oxidação da NFX por voltametria de onda quadrada. Foram optimizados diversos parâmetros experimentais, tais como, condições ótimas de polimerização, condições de incubação e condições de extração. O sensor apresenta um comportamento linear entre a intensidade da corrente do pico e o logaritmo da concentração de NFX na gama entre 0,1 e 8μM. Os resultados obtidos apresentam boa precisão, com repetibilidade inferior a 6% e reprodutibilidade inferior a 9%. Foi calculado a partir da curva de calibração um limite de deteção de 0,2 μM O método desenvolvido é seletivo, rápido e de fácil manuseamento. O sensor molecularmente impresso foi aplicado com sucesso na deteção da NFX em amostras de urina real e água.

Molecularly-Imprinted Materials for Potentiometric Transduction: Application to the Antibiotic Enrofloxacin

Enrofloxacin (ENR) is an antimicrobial used both in humans and in food producing species. Its control is required in farmed species and their surroundings in order to reduce the prevalence of antibiotic resistant bacteria. Thus, a new biomimetic sensor enrofloxacin is presented. An artificial host was imprinted in specific polymers. These were dispersed in 2-nitrophenyloctyl ether and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. The potentiometric sensors exhibited a near-Nernstian response. Slopes expressing mV/Δlog([ENR]/M) varied within 48–63. The detection limits ranged from 0.28 to 1.01 µg mL−1. Sensors were independent from the pH of test solutions within 4–7. Good selectivity was observed toward potassium, calcium, barium, magnesium, glycine, ascorbic acid, creatinine, norfloxacin, ciprofloxacin, and tetracycline. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ± 0.7%), fast response, good sensitivity (47 mV/Δlog([ENR]/M), wide linear range (1.0 × 10−5–1.0 × 10−3 M), low detection limit (0.9 µg mL−1), and a stable baseline for a 5 × 10−2 M acetate buffer (pH 4.7) carrier. The sensors were used to analyze fish samples. The method offered the advantages of simplicity, accuracy, and automation feasibility. The sensing membrane may contribute to the development of small devices allowing in vivo measurements of enrofloxacin or parent-drugs.

Materiais e dispositivos sensores para a Norfloxacina

O trabalho consistiu no desenvolvimento e caracterização de sensores potenciométricos com base em polímeros de impressão molecular para a determinação de um antibiótico, a norfloxacina, em aquacultura. A simplicidade, o baixo custo e a interação rápida e reversível dos sensores potenciométricos com os analitos fizeram com que este fosse o tipo de sensor escolhido. O material sensor foi obtido por tecnologia de impressão molecular, baseada em polimerização em bulk, em que a NOR foi a molécula molde e foram utilizados como monómeros para autoconstrução dos sensores o pirrol, isoladamente, ou em conjunto com partículas de sílica gel funcionalizadas com 3-aminopropil. Também foi obtido material sensor, para controlo, em que a molécula molde NOR não estava presente (NIP). As características dos materiais sensores foram sujeitas a análise de microscopia eletrónica SEM e análise por espectrómetro de infravermelhos com transformada de Fourier. Os materiais sensores foram incluídos em membranas poliméricas, que seriam incorporadas em elétrodos. A avaliação do desempenho dos elétrodos foi feita através de curvas de calibração em diferentes meios (PBS, MES e HEPES). Também foi efetuada com sucesso a análise da sensibilidade dos elétrodos em água dopada. As diversas avaliações e análises efetuadas levaram a concluir que o MIP de pirrol com aditivo aniónico, foi o material sensor testado que permitiu obter melhores propriedades de resposta.